Психолого-педагогические аспекты проблемы развития инженерного мышления младших школьников

АННОТАЦИЯ

В исследовании анализируются теоретические основы и собственное содержание понятия «инженерное мышление» так, как оно позиционируется внутри общенаучного и прикладного педагогического дискурса. Особое внимание уделено определению основ общей организации и приоритетных форм учебного процесса формирования первичных технических и инженерных навыков в восприятии, мышлении и практической учебной деятельности младших школьников, отмечены психологические и физиологические особенности организации и проведения учебных занятий для учащихся данной возрастной группы, раскрыто социальное содержание инженерной деятельности и ее роли и значения в обеспечении стабильности научно-технического прогресса, стоящим в связи с этим перед системой инженерно-технического образования вопросам, и поиску возможных ответов на них.

ABSTRACT

In research theoretical foundations and the content of the "engineering thinking" concept are analyzed as it is positioned within the general scientific and applied pedagogical discourse. Particular attention is paid to the foundation definition of the general organization and priority forms of the educational process of forming primary technical and engineering skills in the perception, thinking and practical educational activity of younger pupils; psychological and physiological features of the organization and conducting lessons for pupils of this age group are specified, the social content of an engineering activity and its role and importance in ensuring the stability of scientific and technological progress are disclosed standing in this regard before the system of engineering and technical education issues and the search for possible answers.

Конец прошлого, и, особенно, - начало нынешнего века характеризуется все возрастающей зависимостью общего научно-технического прогресса цивилизации от количественного и качественного усложнения окружающей существование современного человека техносферы – постоянного увеличения роста численности технических устройств, появления все более и более новых их типов, широтой их проникновения в окружающий человека мир, а также, - постоянно углубляющейся зависимостью последнего от их нормального и стабильного функционирования. Крайне разнообразный мир техники, окружающий современного человека, созидается и постоянно обновляется силой научной и инженерной мысли, и, следовательно, - требует от человечества все более углубленного понимания сущности самого феномена инженерного мышления, - в том числе, и для того, чтобы обеспечить эффективность психолого-педагогических процессов трансляции специальных инженерных знаний и развития специфических навыков инженерного мышления на уровне не ниже требуемого современным уровнем развития окружающей человека техносферы.

К сожалению, как отечественный ([3], [4], [5], [7]), так и зарубежный ([8], [10], [11], [12]) отраслевой и научно-педагогический дискурс определяет фактическое содержание инженерного мышления крайне разнообразно, причем, - это касается как компонентного состава этого феномена, так и его структуры. Так, например, в [3] инженерное мышление определяется авторами данного исследования, как особый тип мышления в проектно-исследовательской деятельности; в [1] – как умение анализировать устройство и принципы работы технических объектов; в [4] – как особого рода комплекс метадисциплинарных знаний и навыков в сфере инженерного дела; в [6] – как комплекс универсальных способностей для эффективного решения инженерных задач внутри соответствующей практическо-предметной деятельности; в [9] – как специализированный тип аналитического мышления в области исследований, проектирования, контроля, управления и консультирования в теории и практике работы технических устройств.

Однако авторы всех указанных выше исследований безусловно сходятся в одном, а именно: инженерное мышление – это мышление системного и междисциплинарного типа, наблюдаемые компоненты которого всегда образуют некоторую субординированную иерархию, по поводу заявляемой структуры которой между этими же авторами наблюдаются более или менее существенные расхождения. На самом деле, указанное теоретическое единство научных взглядов относительно главного существа этого феномена имеет в истории науки и техники последних полутора веков вполне конкретную причину, в основе которой лежит специфический инженерно-проектный и инженерно-эксплуатационный тип восприятия подавляющего большинства объектов техносферы в качестве систем, тогда как исторический и научно-теоретический генезис инженерной мысли в этой связи вполне может быть представлен как взаимосвязанная совокупность непрерывных процессов разработки, совершенствования и последующего внедрения в практику все более новых и все более сложных форм и моделей инженерного мышления и понимания самой природы этой системности.

Необходимыми компонентами инженерного мышления позиционируются в качестве подсистем: собственно техническое мышление [6] как умение анализировать устройство технического объекта и определять наиболее вероятный принцип его работы; конструктивное мышление – как умение быстрого создания ментального образа модели решения технической задачи и подбора средств для ее последующей практической реализации; исследовательское мышление – как способность воспринимать все более новые и новые достижения инженерной мысли и эффективно применять все эти новации для решения собственных инженерных задач; экономическое мышление – как совокупность сформированных навыков примерной оценки соотношения предполагаемых затрат и увеличения технической (или технологической) эффективности от принятия того или иного инженерного решения и дальнейшего внесения изменений в конструкцию, механизм, процесс, технологию [6].

Термин «инженерное мышление» в отечественном и зарубежном педагогическом дискурсе приобретает дополнительное измерение, связанное с его закреплением и позиционированием в качестве формируемой особенности мышления учащихся в процессе специализированного обучения [5], а также, - как результата этого процесса, требования достижения и критерии оценки уровня которого закрепляются в соответствующих образовательных стандартах. В этом отношении инженерное мышление, как создаваемый новый тип мышления учащихся, определяется прежде всего как целеоринтерованная познавательная деятельность [5], направленная на формирование устойчивых навыков решения особых технических задач, относимых к первому необходимому компоненту инженерного мышления – техническому мышлению, целенаправленно развиваемому в учебных заданиях, связанных с анализом устройства технических учебных пособий, определением принципов их функционирования и тех естественных закономерностей, которые были заложены в их создание. Предполагается, что вслед за этой ознакомительно-познавательной стадией в норме должна последовать стадия продуктивная, включающая элементы учебного творчества особого рода, а именно, – инженерно-технического творчества, навыки которого развиваются у учащихся в процессе обучения посредством выполнения ими самых разнообразных заданий по учебному конструированию простейших технических устройств [7].

В обсуждениях результатов организации такого двухэтапного учебного процесса формирования инженерного мышления практически все авторы публикаций сходятся во мнении по поводу уникальности второй (конструкторской) стадии как средства формирования такого важнейшего качества инженерного мышления, как его системность, поскольку создаваемое учащимся простейшее техническое устройство оказывается функциональным тогда и только тогда, когда соблюдены все без исключения правила конструирования и совместимости работы его отдельных элементов в процессе конструирования [6].

Более того, отмечено, что количество успешных вариантов выбора конструкторского решения по истечение некоторого времени неизбежно начинает переходить в качество, и естественное накопление индивидуального опыта успешных инженерно-технических решений постепенно начинает влиять на индивидуальный стиль инженерного мышления школьника, порождая и развивая такое важнейшее качество будущего инженера, как его интуицию, то есть – основанное на личном опыте интуитивное понимание на предварительном, до-расчетном (или до-макетном) этапе того, окажется ли функциональным предлагаемое инженерно-техническое решение в принципе, или же нет [1]. Данное важнейшее качество, по существу, отличает истинно инженерный стиль мышления от всякого другого, позволяя экономить на времени, материальных затратах, расходовании сил и энергии только лишь посредством общей интуитивной оптимизации всего процесса поиска наилучшего инженерно-технического решения как единого целого.

Исходя из перечисленных выше особенностей обсуждения возможностей формирования инженерного мышления и его многих важнейших аспектов в сознании учащихся, современный педагогический дискурс вплотную обращается к анализу возможного содержания таких моделей и форм организации процесса формирования инженерного мышления учащихся, которые впоследствии, в реальном учебной процессе, смогут продемонстрировать свою максимальную эффективность [4]. В частности, одним из наиболее обсуждаемых оказывается вопрос о возрасте ребенка, начиная с которого, исходя из общих возрастных и психологических закономерностей, такое обучение может стать действительно эффективным, понятийно доступным и психологически комфортным для обучаемого, что заставляет авторов целого ряда публикаций ([3], [4], [6], [7]) обратить пристальное внимание на самые ранние, начальные стадии организации обучения такого рода, то есть, - на включение элементов обучения элементарным техническим знаниям в общий процесс дошкольной подготовки в детском саду [4], а также, - в процесс обучения в начальной школе и на развитие элементарных навыков технического мышления у младших школьников [7].

Актуальность создания и последующей реализации целевых образовательных программ соответствующего содержания именно для данной возрастной категории учащихся имеет под собой важные психофизиологические предпосылки, обусловленные возрастными закономерностями развития нейрофизиологии высшей нервной деятельности ЦНС ребенка в этот период. В исследовании [5] фиксируются возрастные особенности функционирования ЦНС ребенка младшего школьного возраста в так называемые сензитивные периоды наибольшего благоприятствования для проявления дополнительных способностей к формированию мышления системно-аналитического (в том числе технически ориентированного) типа, а также повышенной восприимчивости к усвоению в учебном процессе соответствующей целевой информации, что на уровне нейрофизиологии ЦНС сопровождается устойчивостью и плотностью формирования дополнительных межнейронных связей, рассматриваемых нейрофизиологами в качестве характеристик, напрямую влияющих на учебную продуктивность конструкторской и технической деятельности ребенка по выполнению соответствующих учебных заданий. В частности, в исследовании отмечается прямая корреляция между возрастом начала целевого обучения и наблюдаемыми эффектами образования дополнительных межнейронных пучков в системе общей цитоархитектоники ЦНС ребенка младшего школьного возраста [5].

Использование этих особенностей, предоставляемых самой природой онтогенеза человеческой психики, позволяет на основе научно-психологических и педагогических рекомендаций обратиться к конкретному наполнению процесса дополнительного инженерно-технического образования в части формирования содержания соответствующей этим рекомендациям целевой методологии преподавания и новым методам проведения целевых учебных занятий, выбору стратегии организации уроков и тактики предъявления целевой учебной информации учащимся младшего школьного возраста. Исходя из вышеизложенного, автором исследования [1] проанализированы возможные направления формирования первичных инженерно-технических навыков у учащихся данной возрастной группы:

1. Анализ устройства и определение принципа работы технического учебного пособия.

2. Построение мысленной модели решения технической задачи.

3. Сопоставление двух заданий (двух технических устройств, механизмов) по сложности, по использованию новых принципов работы.

4. Аргументация корректности индивидуального выбора (решения) предложенного задания.

5. Определение возможной сферы применения предложенного или самостоятельно сконструированного технического устройства в человеческой практике [1].

В исследовании [2] автором отмечается значение не только когнитивно-операциональных аспектов, но и общего уровня организации учебного процесса, а также разработки методики дополнительного обучения для развития инженерного мышления с выделением взаимосвязанного комплекса элементов (условий обучения), позиционируемых автором данного исследования в качестве приоритетных:

1. Всемерная стимуляция творческой активности и экспериментирования учащихся на исследовательско-конструкторских стадиях процесса обучения.

2. Создание благоприятной для учащихся данной возрастной группы психологической атмосферы проведения занятия.

3. Стимулирование фантазии на фоне снятия ограничений на публичное высказывание учащимися любых идей и творческих решений с последующей самооценкой возможности их технической реализации их же авторами.

4. Стимулирование заинтересованности и вовлеченности младших школьников в учебный процесс, прежде всего посредством необычности, нестандартности предъявляемых технических заданий.

5. Формирование единых общетехнических и общеинженерных подходов к решению содержательно сходных технических задач на фоне выработки навыков понимания учащимися важнейших аспектов этого технического или функционального сходства.

6. Совмещение расчетных этапов выполнения учебных заданий с практическими этапами (конструированием) на фоне формирования навыков понимания связи между результатами вычислений, принципом работы устройства и полученным практическим результатом.

7. Стимулирование познавательной активности учащихся к получению дополнительной информации, которая может повлиять на успешность решения ими технической задачи, посредством формулирования и постановки педагогу дополнительных вопросов [2].

В обсуждении психолого-педагогических особенностей создания и реализации целенаправленных моделей и методов развития инженерного мышления учащихся, начиная от младшего школьного возраста, необходимо учитываются и более общие, глобальные ориентиры проводимой в системе образования реформы, связанные, прежде всего, с необходимостью всемерной профессионализации образовательного процесса даже на уровне общего среднего образования, что декларируется как один из наиболее адекватных возможных ответов на целый ряд требований современности, предъявляемых к количеству и качеству знаний и компетенций выпускника средней школы. Так, например, в исследовании [4] его автором отмечается, что первые шаги со стороны педагогического сообщества к решению приобретающей все большую злободневность проблемы ранней профориентации необходимо должны быть сделаны уже на этапе дошкольного обучения, а также в рамках восстанавливаемых (от советского периода) эффективных форм дополнительного образования и развития детей дошкольного и младшего школьного возраста, через повсеместное создание и открытие секций конструирования и технического моделирования, различных кружков технической направленности, поскольку такое дополнительное образование для обнаруживающих уже в раннем возрасте соответствующие способности детей может осуществляться в непрерывном режиме, минуя формальные переходы от дошкольного образования к начальной школе, к средним и старшим классам общеобразовательной школы [4], и далее вплоть до поступления в профильный технический вуз.

Профессионализация образования в факультативных режимах позволяет решать целый ряд важнейших психолого-педагогических задач прежде всего в восприятии и сознании учащегося, который знакомится в теории и на практике с соответствующей инженерно-технической и конструкторско-исследовательской деятельностью все более детально и все более углубленно как с целевой учебной деятельностью, непосредственно формирующей его навыки, его практический опыт, его теоретические знания и профессионально-ориентированные компетенции, и в итоге, - индивидуальный стиль его технического мышления и деятельности в сфере создания и эксплуатации технических устройств, максимально приближая их к уровню соответствующего мышления и деятельности взрослого инженера-профессионала [2]. В отличие от обычного школьника, такой учащийся, как правило, совершенно осознанно, четко и определенно представляет себе, чем именно он будет заниматься и дальше в жизни, а это, в свою очередь, лишь подтверждает успешность решения важнейшей задачи индивидуальной профориентации покидающего среднюю школу выпускника.

К процессу выбору решения ряда проблем разработки новых форм организации учебного процесса, целью которого бы являлось развитие инженерно-технического мышления учащихся, авторы некоторых публикаций ([3], [4]) рекомендуют обращаться с позиций тех самых современных требований, которые обращает к процессу образования и формирования научно-технических знаний достигнутый цивилизацией уровень научного и технического развития. В частности, ими рекомендовано для всех ответственных сторон в первую очередь обратить внимание на создание региональных и муниципальных центров детского технического творчества и научно-технического творчества молодежи для постепенного введения проходящих обучение в этих центрах в круг наиболее актуальных проблем современной электроники, робототехники и инженерии в сфере биотехнологий и нанотехнологий, инженерной психологии, эргономики, технического дизайна ([3], [4]) с целью решения другой важнейшей задачи их индивидуальной профориентации, а именно, - формирования начального отрезка всей их последующей образовательной траектории, которая в норме, и в соответствии с активно реализуемой в ходе реформы концепцией непрерывного образования, по завершении каждым из них профильного высшего учебного заведения, должна плавно трансформироваться в траекторию дальнейшего профессионального совершенствования [1].

Таким образом, принципиально планируемое с опережением начало процесса развития инженерно-технического мышления у таких учащихся на самых ранних этапах обучения позволит, во-первых, сделать процесс продвижения по индивидуальной образовательной траектории для них максимально осознанным и психологически комфортным, и, во-вторых, создаст условия полной реализации для них со стороны систем базового и дополнительного образования режима наибольшего благоприятствования в процессе выбора ими своей будущей профессии и последующего обучения ей при минимуме внешних затрат [3].

Исходя из сходных препозиций, такого же мнения придерживаются и участники аналогичного обсуждения в рамках зарубежного педагогического дискурса ([8], [9], [11], [12]), в котором прослеживается преобладающее доминирование именно компетентностного подхода к процессу поиска решений этой проблемы. По мнению авторов исследования [11], с целью разработки качественных программных образовательных продуктов, стартовой позицией исследований, результатом которых и сможет затем стать такая разработка, должен стать анализ базисных особенностей и профессионально обусловленных «привычек» инженерного мышления («mind’s habits» - англ.) как универсальных моделей поиска решения содержательно сходных инженерно-технических задач.

Напротив, новое, практически философское понимание инженерии как метадисцилинарного по универсальности и широте своего содержания подхода к решению совершенно различных проблем, с которыми сталкивается современный человек, изложено в исследовании [10], в соответствии с которым автор исследования предлагает полный отказ от всех прежних стереотипов по поводу инженерного мышления и организации образовательного процесса (в том числе для самых маленьких) принципиально нового типа с полным снятием всех ограничений на продуцирование и реализацию сколь угодно новых и необычных технических идей и решений предлагаемых учебных заданий [10].

К сходным выводам приходит автор исследования [12], обращая внимание на то, что взрослые люди в своей повседневной жизни используют значительное количество технических устройств, даже не вдаваясь в особенности постижения принципов их функционирования. И совсем другое дело – дети, использующие практически те же самые устройства, но сохраняющие на основе своей естественной любознательности стремление непременно понять, как и на основе каких технических или физических закономерностей работает каждое такое устройство? Игнорирование этого детского дара мотивации непосредственного постижения всего неизвестного и отказ от использования такого устремления в учебном процессе, согласно автору данного исследования [12] есть поистине фатальная педагогическая ошибка с далеко идущими (для всего общества будущего) последствиями.

Автор теоретического исследования [8], анализируя сравнительное соотношение рациональных и иррациональных (интуитивных) компонентов в процессах принятия инженерных решений, последующего создания технических устройств и предварительной оценки их инженерно-технической эффективности, отмечает двойственный характер инженерной теории и практики как взаимосвязанного и единого целого, что, без сомнения, должно обусловить вполне определенную дивергентность предлагаемых методов обучения будущих инженеров, которые по факту такой констатации должны быть направлены на развитие компонентов инженерного мышления как первого, так и второго типа. Таким образом, предельно точное и полное определение основ теоретического фундамента разработки единого пакета учебных программ и алгоритмов обучения школьников первичным навыкам инженерного мышления, призвано стать одной из важнейших образовательных задач всего общества [9] в качестве неотъемлемой части единого проекта создания инженерной профессии будущего, приступить к началу реализации которого современному социуму следует уже сегодня.